DE3871711T2

DE3871711T2 - Verfahren und geraet zur verbesserung der verstaendlichkeit von stimmen in hoher geraeuschumgebung.

Info

Publication number: DE3871711T2
Application number: DE8888904019T
Authority: DE
Inventors: C Lawson; Paul Warther; M Williams
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1987-04-14
Filing date: 1988-03-14
Publication date: 1993-01-21
Anticipated expiration: 2008-03-15
Also published as: DK694588A; DK694588D0; DE3871711D1; AU1700988A; KR890700967A; JP5082085B2; KR930002041B1; IL85881A0; AU598677B2; CA1290844C; IL85881A; US4771472A; JPH01503111A; TR24320A; EP0312569A1; WO1988008227A1; EP0312569B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei der Verständlichkeit von Stimm- bzw. Sprachsignalen, die durch ein Mikrofon in Umgebungen mit starken Störungen erzeugt werden und betrifft insbesondere die Hintergrundstörungs-Unterdrückung und die Wiederformung gewisser Sprachkomponenten-Signale im Ausgang bzw. Ausgangssignal eines Mikrofons.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Es wurde eine Klasse von Mikrofonen, die als Gradienten- Elektretmikrofone der ersten und zweiten Ordnung bezeichnet werden, entwickelt, um einen Störunterdrückungsbetrieb in Umgebungen mit Hintergrundsstörungen bereitzustellen. Wie sich zeigte, erzeugen diese Mikrofone exzellente Sprachqualität in Umgebungen mit Umgebungsstörungen, die sich 100 dBA annähern. Das Mikrofon ist oftmals als Teil eines Kopfsatzes auf einem Ausleger montiert, der sich von der Seite des Bedienerkopfs zu den Lippen erstreckt und normalerweise ungefähr einen Zoll von den Lippen beabstandet angeordnet ist. Die Verständlichkeit des Mikrofon-Ausgangs ist für normale Stimmpegel hoch, wenn das Mikrofon in dieser Weise in Umgebungen mit starken Störungen benutzt wird. Allerdings muß der Benutzer in Situationen, bei denen die Größe der Hintergrundsstörungen diese Pegel übersteigt, hauptsächlich in Situationen, bei denen das Hintergrundrauschen auf einen Pegel von 110 bis 120 dB anwächst, die Art der Benutzung des Mikrofons in einer solchen Weise ändern, daß die Sprachverständlichkeit beim Mikrofon-Ausgang ernstlich beeinträchtigt ist.
Elektret-Gradientenmikrofone gewinnen ihre Sprachunterdrükkungsqualitäten aus der Art, in der sie auf Audiosignale, die aus Bereichen vor den Mikrofon stammen (Nahfeld-Antwort von den Lippen des Benutzers), im Vergleich zu der Art reagieren, mit der sie auf die Signale ansprechen, die das Mikrofon von hinten oder von den Seiten erreichen (Fernfeldoder Hintergrundstörungs-Antwort). Das Nahfeld/Fernfeld-Ansprechen eines beispielhaften Gradienten-Elektretmikrofons erster Ordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Benutzerstimme tritt in die Vorderseite des Mikrofons ein und folgt der in dieser Figur gezeigten Nah-Antwortkurve NR, während Hintergrundstörungen in die Rückseite und die Seiten des Mikrofons eintreten und der Fern-Antwortkurve FR folgen. Der als eine schattierte Fläche in Fig. 1 gezeigte Unterschied zwischen diesen beiden Antworten stellt die Störunterdrückungsfähigkeit dieser Klasse von Mikrofonen dar. Die Mikrofone stellen ausgezeichnete Störungsdämpfung (von 10 bis 20 dB) bei Frequenzen unterhalb ungefähr 1 kH bereit, zeigen aber geringe Rauschunterdrückung oberhalb ungefähr 2,5 kH.
Wenn diese Mikrofone in stark störungsbehafteten Umgebungen eingesetzt werden, insbesondere in solchen oberhalb von 100 bis 105 dBA, was derart hochen Pegeln entspricht, daß die Tonvibrationen buchstäblich als Vibrationen gefühlt werden, muß der Benutzer das Mikrofon in einer Weise benutzen, die die Stimmqualität und die Sprachverständlichkeit des Mikrofon-Ausgangs rasch verringert. Diese Art der Benutzung in stark störungsbehafteter Umgebung besitzt zwei hauptsächliche Aspekte, die die Verständlichkeit der im Kommunikationskanal dem der Mikrofon-Ausgang bzw. das Mikrofon-Ausgangssignal zugeführt wird, übertragenen Stimme wird, drastisch beeinträchtigt. Erstens erhebt der Benutzer naturgemäß seine Stimme, um diese übermäßig störungsbehaftete Umgebung zu kompensieren. Zweitens plaziert der Benutzer das Mikrofon sehr nahe bei seinen Lippen und kann tatsächlich das Mikrofon in Berührung mit seinen Lippen plazieren. Dies erfolgt in dem Bemühen, den Signalpegel so anzuheben, daß der Sprecher seine eigenen Seitentöne hören kann, die vom Mikrofon zu den Kopfhörern und durch vom Benutzer in der äußerst stark störungsbehafteten Umgebung getragene Ohrstöpsel zurückgeführt werden.
Diese Art der Verwendung des Elektret-Gradientenmikrofons in sehr stark störungsbehafteten Umgebungen erzeugt zwei Phänomene, die die Sprachverständlichkeit beeinträchtigen. Die Kombination aus dem erhöhten Sprechpegel und der engen Nachbarschaft des Mikrofons zur Sprachquelle erhöht den dynamischen Bereich des Mikrofon-Ausgangs oberhalb des verkraftbaren Bereichs gegenwärtiger Kommunikationssysteme. Weiterhin beeinhalten Mikrofon-Ausgangssignale gewisse Komponenten höherer Amplitude (die als Luftstoß-Störungen (puff noise)) bezeichnet werden und die die Verständlichkeit von Sprachsignalkomponenten in höheren Frequenzbereichen (oberhalb des Störungsunterdrückungs-Frequenzbereichs des Mikrofons) ernsthaft beeinträchtigen. Luftstoß-Störungen sind eher auf Luft, die entlang des Mikrofonelements strömt, als auf Töne bzw. Geräusche zurückzuführen, die bei der Erzeugung von Sprache generiert werden. Gegenwärtig verfügbare Interkommunikationssysteme stellen keinen dynamischen Bereich bereit, der zur Handhabung von durch solche Elektretmikrofone in stark störungsbehafteten Umgebungen erzeugten Signalpegeln ohne Generierung einer erheblichen Klipp- bzw. Beschneidungsverzerrung der Stimmsignale ausreichend wäre. Digitale Signalverarbeitungstechniken wurden versuchsweise zur Erhöhung der Verständlichkeit eingesetzt, erforderten aber massive Verarbeitungsfähigkeit und sind gegenwärtig auf das Labor beschränkt. Ferner sind solche Systeme bei der Erzeugung von Verständlichkeitsverbesserungen sehr viel weniger kosteneffektiv.
Verschiedene Verfahren wurden zum Unterdrücken von Hintergrundstörungen bei anderen Mikrofontypen und anderen Systemen einschließlich der in der US-PS 4 461 025 (Franklin) und der US-PS 4 630 302 (Kryter) gezeigten Störunterdrückungsbeschaltung entwickelt, aber diese sind hauptsächlich bei der Eliminierung desjenigen Störungsanteils wirksam, der durch den Betrieb eines Gradienten-Elektretmikrofons erster oder zweiter Ordnung selbst inhärent eliminiert wird. Diese Systeme sind bei der Unterdrückung von im Ausgangssignal eines Gradienten-Elektretmikrofons erster oder zweiter Ordung enthaltenen Luftstoß-Störungen bei dessen Benutzung in stark störungsbehafteten Umgebungen nicht wirksam. Der Stand der Technik arbeitet nun im Hinblick auf die Dämpfung oder das Herausgreifen von Intelligenz bzw. Informationen aus Luftstoß-Störungen im Ausgangssignal eines solchen Mikrofons aufgrund der einzigen Verwendungsmethode des Mikrofons, die in einer Umgebung mit sehr hohen Störungen auftritt.
US-A-4 531 229 beschreibt die Benutzung von automatischen Verstärkungsregelschaltungen langsamer und schneller Ansprechzeit in unterschiedlichem Kontext wie die Erfindung (die langsame automatische Vertärkungsregelschaltung steuert den durchschnittlichen Amplitudenpegel und die schnelle Verstärkungsregelschaltung eliminiert plötzliche Störungen in einem binauralen Hörsystem).
Dementsprechend ist es eine Aufgabe vorliegender Erfindung, die Verständlichkeit von Stimmsignalen in stark störungsbehafteten Umgebungen zu erhöhen, indem die mit Elektret-Gradientenmikrofonen verknüpften schädlichen Nebenwirkungen von Luftstoß-Störungen reduziert oder beseitigt werden und eine solche Information zur Erhöhung der Erkennung von Sprachkomponenten verwendet wird.

Kurzfassung der Erfindung

Bei der Ausführung von Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind in Übereinstimmung mit einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel derselben erste und zweite automatische Verstärkungsregelschaltungen parallel geschaltet, um eine Dämpfungseinrichtung zu steuern, die das Mikrofon-Ausgangssignal empfängt. Eine der Verstärkungsregelschaltungen besitzt ein relativ langsames Ansprechen zur Unterdrückung von Hintergrundstörungen, während die andere ein relativ rasches Ansprechen zum selektiven Formen von Sprenglaut-Tonkomponenten hat. Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die schnelle Verstärkungsregelschaltung so eingestellt, daß sie selektiv auf Luftstrom-Störungen wirkt und dem System das Passieren der vorlaufenden Flanke von Sprenglaut-Sprachkomponenten mit geringerer Dämpfung als die anderen Reibtönen aufgezwungene Dämpfung erlaubt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 die Nahfeld-/Fernfeld-Antwort eines Gradienten- Elektretmikrofons erster Ordnung,
Fig. 2a relative Amplituden mehrerer Sprachkomponenten eines Mikrofon-Ausgangs bei einer Stimme bei normalem Pegel,
Fig. 2b die Sprachkomponenten gemäß Fig. 2a, wie sie am Ausgang eines in einer stark störungsbehafteten Umgebung eingesetzten Elektret-Gradientenmikrofons ohne Verwendung vorliegender Erfindung auftreten können,
Fig. 2c den Mikrofon-Ausgang bei einer Umgebung mit sehr hohen Störungen, jedoch konditioniert durch duale Verstärkungsregelschaltungen,
Fig. 3 ein Blockschaltbild, das eine Ausführung der Erfindung veranschaulicht, und
Fig. 4a und 4b eine beispielhafte Ausführung der Schaltung des in Fig. 3 gezeigten Systems.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Beim Studium und der Analyse des Ausgangs bzw. Ausgangssignals von störunterdrückenden Elektret-Gradientenmikrofonen, die in sehr stark störungsbehafteten Umgebungen eingesetzt werden, wurde die Natur und Größe des Verzerrungsausgangssignals analysiert und gefunden, daß es zwei signifikantere Eigenschaften besitzt. Es wurde gefunden, daß zusätzlich zu dem stark erhöhten dynamischen Bereich des Ausgangssignals, der durch die erhobene Stimme und die Nähe des Mikrofons zu den Benutzerlippen hervorgerufen ist, Luftstoß-Störungen sehr hohen Pegels vorhanden sind, die höhere Frequenzen enthalten. Diese Luftstoß-Störungen werden durch gewisse einzigartige Eigenschaften des Mikrofons hervorgerufen und liegen bei höheren Frequenzen, die weit oberhalb derjenigen Frequenzen liegen, bei denen das Mikrofon seine Störunterdrückungsfähigkeiten zeigt.
Im Hinblick auf den erhöhten dynamischen Bereich erzeugen solche Mikrofone unter normalen Bedingungen Ausgangs-Effektivspannungen im Bereich von 18 bis 20 Millivolt mit Spitzenspannungen im Bereich von 50 bis 60 Millivolt. Wenn die Mikrofone in stark störungsbehafteten Umgebungen (oberhalb ungefähr 105 dBA) eingesetzt werden, ergab sich, daß die Mikrofone Ausgänge bzw. Ausgangssignale im Bereich von 500 bis 600 Millivolt mit gemessenen Spitzen von über 3,0 Volt erzeugen.
Kommunikationssysteme, in die der Mikrofon-Ausgang bzw. das Mikrofon-Ausgangssignal eingegeben wird, sind so ausgelegt, daß sie bei normalen Signalpegeln arbeiten und können folglich keinen ausreichenden dynamischen Bereich für ein verzerrungsfreies Ansprechen auf die Signale hohen Pegels bereitstellen. Die Verzerrung liegt üblicherweise in der Form eines Klippens bzw. einer Beschneidung aufgrund unzureichender Versorgungsspannungen in den Verstärkerschaltungen, die zur Konditionierung der Mikrofonsignale eingesetzt werden, vor. Wenn die Beschneidungsverzerrung oder eine andere Signalverzerrung 5 bis 10% des Sprachsignals übersteigt, wird die Verständlichkeit der Sprache negativ beeinflußt. Beispielsweise würde eine Schaltung, die normalerweise unter normalen Bedingungen eine Spitzen-Ausgangsspannung von 3 Volt erzeugt, unter sehr stark störungsbehafteten Bedingungen ein Ausgangssignal von 150 Volt erzeugen müssen. Schaltungselemente, die zur Handhabung dieser großen Spannungsschwingungen imstande sind, tendieren dazu, ziemlich groß zu sein, und sind daher in den meisten Kommunikationssystemen nicht enthalten.
Als zweites Phänomen des Mikrofon-Ausgangs wurde seine einzigartig erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Luftstoß-Störungen ("puff" noise) gefunden, die durch die enge Nähe des Mikrofons zu den Lippen hervorgerufen wird. Die Luftstoß-Störungen sind ähnlich den Störungen, die erzeugt werden, wenn man in ein Bühnenmikrofon beispielsweise beim Testen des Mikrofons bläst. Diese Luftstoß-Störungen werden erzeugt, wenn Luft über das Mikrofon strömt und hierdurch eine Druckdifferenz zwischen der Vorderseite und der Rückseite des Elements hervorruft. Diese Druckdifferenz erzeugt extrem hohe Spannungen über einen breiten Frequenzbereich, was durch jemand, der das Signal hört, als Luftstoß-Störungen interpretiert wird. Diese Luftstoß-Störungen sind eine Nicht-Audio-Eigenschaft des Mikrofons und folgen daher nicht der Nah-Antwortkurve NR gemäß Fig. 1. Weiterhin liegt ein großer Anteil des Energieinhalts der Luftstoß-Störungen in den Frequenzbändern (oberhalb ungefähr 12,5 kHz), bei denen das Mikrofon wenig oder keine Rauschunterdrückung auf der Basis einer Audio-Antwort erzeugt. Phoneme sind die kleinsten Elemente der Sprache. Sie könne durch Formen von von den Stimmbändern herrührenden Tönen oder durch Formen der Luftströmung im Mund gebildet werden. Phoneme, die die meisten Luftstoß-Störungen hervorrufen, sind diejenigen, die Sprenglaute (P, T, K), Reibelaute (F, TH, S, SH) und die Affrikata (CH wie in church) enthalten. Alle diese Phoneme werden durch Formen der Luftströmung mit den Lippen oder dem Mund gebildet und werden nicht durch Formen von von den Stimmbändern herrührenden Tönen gebildet. Derartig gebildete Töne werden Reibelaut-Töne (frication sounds) genannt. Ein Reibelaut-Phonem ist das Ergebnis der Formung eines Reibe- Tons. Ein Sprenglaut-Phonem ist ähnlich dem Ergebnis des Formens eines Reibe-Tons, wobei jedoch eine plötzliche Freigabe eines aufgebauten Drucks vorhergeht. Weiterhin haben diese Töne einen signifikanten Frequenzgehalt im Bereich von ungefähr 2,5 bis 6,0 kHz, die zur Unterscheidung eines Tons von einem anderen benutzt werden. Die Luftstoß- Störungen am Ausgang des Elektret-Gradientenmikrofons sind die am meisten vorherrschenden und die Mikrofon- Rauschunterdrückung ist in demselben Frequenzbereich signifikant verringert oder nicht existent.
Es wurde gefunden, daß die Sprachkomponenten einschließlich Sprenglauten, Reibelauten und Affrikativa im Ausgangssignal des in stark störungsbehafteten Umgebungen benutzten Elektret-Gradientenmikrofons einen überraschend hohen Pegel nicht nur in absoluten Ausdrücken, sondern auch relativ zu anderen Sprachkomponenten besitzen. Tatsächlich liegen in einer solchen Situation Sprenglaut-, Reibelaut- und Affrikativa-Phoneme bei einem solch hohen Pegel, verglichen mit den Pegeln solcher Phoneme bei regulären Sprachsignalen, daß das menschliche Ohr nicht imstande ist, den Unterschied zwischen den mehreren Sprenglaut-, Reibelaut- und Affricativa-Phonemen zu unterscheiden. Obwohl diese Phoneme normalerweise eine niedrigere Amplitude als die Amplitude anderer Phoneme wie etwa von Vokalen haben, liegen sie im Ausgangssignal eines in einer sehr stark störungsbehafteten bzw. sehr lauten Umgebung benutzten Elektret-Gradientenmikrofons bei Pegeln oberhalb des Pegels von Vokalen.
Dieses Problem des unüblich hohen absoluten und relativen Pegels von Sprenglaut-, Reibelaut- und Affrikativa-Sprachkomponenten ist in den Figuren 2a, 2b und 2c dargestellt. Jede der Figuren 2a, 2b und 2c enthält eine einzige simulierte Wellenform einer Gesamtlänge von 400 ms für jede Figur. In jeder Figur ist die Wellenform von 400 ms in vier 100 ms Abschnitte unterteilt, von denen jede auf einer unterschiedlichen Zeile aufgrund des Maßstabs und der exzessiven Länge des gesamten 400 ms langen Wellenformabschnitts gezeigt ist. Somit ist beispielsweise bezüglich Fig 2a der erste 100-Millisekunden-Abschnitt der dort dargestellten Wellenform auf der ersten, mit Figur 2a-1 bezeichneten Zeile dargestellt. Der zweite 100-Millisekunden-Abschnitt dieser Wellenform, der dem ersten 100-Millisekunden-Abschnitt unmittelbar folgt, ist auf der mit Fig. 2b-2 bezeichneten zweiten Zeile dargestellt. Der dritte 100-Millisekunden-Abschnitt ist auf der mit Fig. 2c-3 bezeichneten dritten Linie und der vierte und abschließende 100-Millisekunden-Abschnitt, der dem Ende des dritten 100-Millisekunden-Abschnitts unmittelbar folgt, ist auf der mit Fig. 2d-4 bezeichneten vierten Linie gezeigt. Diese Wellenformen zeigen das Mikrofon-Ausgangssignal unter variierenden Zuständen. Figur 2a veranschaulicht das Mikrofon-Ausgangssignal unter ruhigen Bedingungen. Fig. 2b zeigt den Mikrofon-Ausgang unter Bedingungen sehr hoher Störungen von ungefähr 120 dBA, wobei das Mikrofon die Lippen berührend benutzt wird, und Fig. 2c zeigt den Mikrofon-Ausgang gemäß 2b in der Konditionierung bzw. Verarbeitung durch die hier beschriebene duale Verstärkungsregelschaltung. Jede der Figuren 2a, 2b und 2c zeigt denselben Ton "UH-TA", wobei die erste Silbe "UH" wie in dem Wort "you" ausgesprochen wird und das "A" der zweiten Silbe ein breites "A" wie in "cut" ist. Unter ruhigen Bedingungen verläuft das Mikrofon-Ausgangssignal gemäß der Darstellung in Fig. 2a, wobei der Vokal-Ton "UH" in der ersten Zeile, Fig. 2a-1 gezeigt ist. Die Sprache ist für ein kurzes, hauptsächlich am Ende der Fig. 2a-1 gezeigtes Intervall ruhig, wie in Fig. 2a-2 und beim beginnenden Abschnitt der Fig. 2a-3 dargestellt. Diese Ruhe tritt während des Druckaufbaus bei der Formung des Sprenglaut-Phänomens "T" auf. Bei einem Punkt (a) in Fig. 2a-3 beginnt der Sprenglaut-Ton und wird durch einen Frikations-Ton bzw. Reibelaut-Ton gefolgt, der bis zum Ende der dritten Zeile der Fig. 2a-3 bis zu dem Punkt andauert, der in Fig. 2a-4 mit (b) bezeichnet ist. Folglich sind der Sprenglaut "T" und sein nachfolgender Frikations-Laut zwischen Punkten (a) und (b) gezeigt, an welchem Punkt der breite Vokal "A" beginnt und bis zum Ende der Zeile der Fig. 2a-4 andauert. Dieser Laut bzw. Ton oder Geräusch gemäß Fig. 2a tritt, wie zuvor erwähnt, unter ruhigen Bedingungen auf, bei denen das Mikrofon ungefähr einen Zoll (ca. 2,5 cm) von dem Lippen entfernt ist und Vokallaut-Pegel von zwischen 50 und 60 dB bei Frikations-Lauten bzw. Reibelaut-Tönen bei niedrigerem Pegel von ungefähr 25 bis 30 dB aufnimmt.
Wenn das Mikrofon in einer Umgebung mit sehr lauten Geräuschen (beispielsweise 120 dBA) benutzt wird, wobei das Mikrofon die Lippen berührt, tritt derselbe, in Fig. 2a dargestellte Sprachton bzw. Sprachlaut am Mikrofon-Ausgang wie in Fig. 2b dargestellt auf. Bei Fig. 2b-1 hat der Vokal "UH" am Punkt (c) aufgehört und die Hintergrundstörungen beginnen. Die Hintergrundstörungen dauern über den gesamten Abschnitt der in Fig. 2b-2 gezeigten Wellenform und über einen anfänglichen Bereich der in Fig. 2b-3 gezeigten Wellenform bis zum Punkt (d) an. Am Punkt (d) gemäß Fig. 2b-3 beginnt der Sprenglaut "T", der eine sehr schnelle Anstiegszeit bis zu einer hohen Amplitude, die eine Amplitude oberhalb der Amplitude des Vokallauts ist, zeigt. Der hochfrequente Frikations-Laut bzw. Reibelaut dauert über den Rest des Wellenformabschnitts gemäß Fig. 2b-3 und einen anfänglichen Abschnitt der Fig. 2b-4 an und endet an einem in dieser mit (e) bezeichneten Punkt. Zu diesem Zeitpunkt beim Punkt (e) beginnt der zweite Vokal "A" und dauert bis zum Ende der mit Fig. 2b-4 bezeichneten Zeile an. In Fig. 2b haben die Vokallaute sehr hohe Amplitude mit einem Pegel von 90 bis 95 dB, und auch die Frikations-Töne bzw. Reibelaute haben eine sehr hohe Amplitude, die aber noch höher als die der Vokallaute ist, mit einer Amplitude von ungefähr 95 bis 100 dB oder mehr. Folglich besitzen die Frikationslaute in dem in Fig. 2b dargestellten Mikrofon-Ausgangssignal bei Umgebung mit sehr lauten Geräuschen nicht nur eine erheblich vergrößerte Amplitude, sondern haben auch eine Amplitude, die höher als die der Vokale ist, wohingegen die Frikations-Amplituden bei normalen Lauten niedriger als die Vokale sind.
Gemäß vorliegender Erfindung wird die in den Sprenglaut-Phonemen und auch in den Reibelaut- und Affrikativa-Phonemen enthaltene Intelligenz bzw. Nachricht beibehalten, selbst bei Vorhandensein des einzigartigen Phänomens der relativ erhöhten Amplitude solcher Luftstoß-Störungen, indem die Luftstoß-Störungen selektiv geformt und hiermit verbunden die durch das Mikrofon erzeugten nachteiligen Nebeneffekte des erhöhten dynamischen Bereichs eliminiert werden.
Fig. 2c zeigt das Ausgangssignal eines die Grundzüge vorliegender Erfindung enthaltenden Systems, das die nachfolgend beschriebene duale Verstärkungsregelungs-Konditionierung aufweist, wobei es eine Eingangsgröße von dem in Fig. 2b gezeigten sehr stark störungsbehafteten Mikrofon-Ausgangssignal erhält. Der anfängliche Abschnitt der Fig. 2c-1 zeigt den Vokal "UH", während bei einem Punkt (f) der Beginn der durch die langsame Verstärkungsregelschaltung unterdrückten Hintergrundstörungen gezeigt ist. Die unterdrückten Hintergrundstörungen dauern über den gesamten Wellenformabschnitt gemäß Fig. 2c-2 und über den anfänglichen Abschnitt der in Fig. 2c-3 gezeigten Wellenform bis zum Punkt (g) an. Zu diesem Zeitpunkt beginnt das geformte Sprenglaut-Ausgangssignal des dualen Verstärkungsregelschaltung-Systems mit der hohen Amplitude und schnellen Anstiegszeit des Sprenglauts, der durch den Frikations-Laut relativ gedämpfter niedriger Amplitude über das Ende der Zeile gemäß Fig. 2c-3 und über den ersten Abschnitt der Fig. 2c-4 bis zu einem mit (h) bezeichneten Punkt gefolgt ist, wobei zu diesem Zeitpunkt der Vokal "A" beginnt.
In der in den Figuren 2c- 1 bis 2c-4 gezeigten Wellenform sind Vokallaute auf einen Pegel von ungefähr 45 bis 50 dB gedämpft, während die Frikationslaute bzw. Reibelaut-Töne noch weiter bis auf einen Pegel von ungefähr 35 bis 45 dB gedämpft sind. Dabei ist wichtig, daß der Sprenglaut seine Form beibehalten hat; daß die Anstiegsflanke des Sprenglauts in der Amplitude noch höher als der Vokal ist, aber geformt ist und einen nachfolgenden Abschnitt besitzt, der in der Amplitude niedriger als der Vokal ist. Demgemäß ist am Ausgang der dualen automatischen Verstärkungsregelschaltung ein verstärkter Sprenglaut bereitgestellt, dessen Amplitude relativ zum Vokal höher als normal, aber dennoch für eine Verständlichkeit ausreichend geformt ist. Daher sind die Sprenglaute, deren Erkennung im Hinblick auf die Sprachverständlichkeit sehr wichtig ist, so geformt, daß sie leicht erkennbar sind (d.h. voneinander und von Reibe- und Affrikativa-Lauten unterscheidbar sind), wodurch die Verständlichkeit des Ausgangs des in sehr lauten Umgebungen benutzten Mikrofons erheblich verbessert ist. Wie aus dem nachfolgenden ersichtlich und aus der Diskussion der Zeitkonstanten und Verstärkungsregelung verständlich wird, werden Frikationslaute bzw. Reibelaut-Töne, die aus Reibelaut- oder Affrikativa-Phonemen resultieren und eine geringere Anstiegszeit als die 5-Millisekunden-Anstiegszeit von Sprenglauten haben (mehr in der Größenordnung von 30 ms), durch die beschriebenen Schaltungen lediglich gedämpft, ohne daß eine signifikante Veränderung der Form erfolgt.
Die beschriebene Verbesserung der Verständlichkeit wird durch die funktional in Fig. 3 dargestellte Anordnung erreicht, bei der duale automatische Verstärkungsregelschaltungen eingesetzt werden. Weitere Details der Verschaltungs-, Betriebs- und Entwurfsparameter dieses Systems sind in den Figuren 4a und 4b dargestellt und im folgenden diskutiert. Ein rauschunterdrückendes Elektret-Gradientenmikrofon ist schematisch bei 10 gezeigt und empfängt eine mit 12 bezeichnete Spracheingabe und ein mit 14 bezeichnetes Hintergrundgeräusch hohen Pegels. Das elektrische Ausgangssignal des Mikrofons wird einer Dämpfungsschaltung 16 zugeführt, an deren Ausgang das bereichskomprimierte und geformte Signal auf einer Leitung 18 auftritt, das falls als notwendig oder wünschenswert erachtet, durch ein Bandpaßfilter 20 hindurchgeführt werden kann. Das Ausgangssignal der Dämpfungseinrichtung 16 wird parallel an langsame und schnelle automatische Verstärkungsregelschaltungen 22 und 24 angelegt, deren Ausgangssignale in einer Summier- und Isolierschaltung 26 für die Rückführung zur und Steuerung der Dämpfungseinrichtung 16 zusammengefaßt werden.
Die langsame automatische Verstärkungsregelschaltung 22 ist eine langsame Schleife oder Integrationsschaltung, die den breiten dynamischen Ausgangsbereich des Mikrofons um einen Betrag komprimiert, der ausreichend zur Anpassung an den Eingangsbereich einer nachfolgenden Kommunikationskanalverschaltung im Kommunikationssystem ohne verzerrende Beschneidung ist. Der Schwellenwert und die Zeitkonstante der langsamen Schleife sind so eingestellt, daß sie eine auf den Langzeit-Mittelwert der in das Mikrofon eintretenden Hintergrundgeräusche bezogene Dämpfung bereitstellen. Der Dämpfungspegel dieser langsamen Verstärkungsregelschaltung ist so eingestellt, daß eine ausreichende Dämpfung bereitgestellt wird, um eine lineare Aktion bzw. Arbeitsweise der nachfolgenden Kommunikationsschaltung ohne Beschneidung aufrechterhalten wird, wenn ein normales Sprachsignal den Hintergrundgeräuschen hinzugefügt wird.
Die zweite automatische Verstärkungsregelschaltung ist eine schnelle Schleife, die parallel zur langsamen Verstärkungsregelschaltung benutzt wird. Jedoch sind die Schwelle und Ansprechzeit dieser Verstärkungsregelschaltung so eingestellt, daß eine optimale Größe von Luftstoß-Störungen im System zugelassen wird, um die Luftstoß-Störungen zu formen und darunterliegende Sprachlaute zu regenerieren. Folglich ist diese schnelle Verstärkungsregelschaltung so eingestellt, daß sie selektiv bei den höherpegligen Luftstoß- Störungen arbeitet und weiterhin diese Luftstoß-Störungen so formt, daß die Information der die Luftstoß-Störungen hervorrufenden Phoneme extrahiert wird.
Durch richtiges Einstellen des Schwellwerts und der Ansprechzeit der schnellen automatischen Verstärkungsregelschaltung werden die Anstiegsflanke der Sprenglaute (die jenigen, die durch Aufbau und plötzliche Freigabe von Luft erzeugt werden) beibehalten, während die exzessive Amplitude der nachfolgenden oder Reibelaute, die sich langsamer aufbauen, bis zu einem Punkt reduziert wird, bei dem sie für das menschliche Ohr wahrnehmbar werden. In dieser Weise wird Sprachinformation, die für die Verständlichkeit kritisch ist, aus einem Signal, das normalerweise als Geräusch gehört wird, extrahiert.
Die führende Flanke des Sprenglauts besitzt normalerweise eine Anstiegszeit von ungefähr 5 ms. Um dieses Sprenglaut- Phonem beizubehalten, ist die Zeitkonstante der schnellen automatischen Verstärkungsregelschaltung im Bereich von ungefähr 30 bis 100 ms eingestellt, um eine Dämpfung von ungefähr 1 dB für alle 3 bis 10 ms bereitzustellen. Beispielsweise wird bei einer Verstärkungseinstellung für eine Dämpfung von 1 dB je 3 ms eine Dämpfung von lediglich ungefähr 2 dB nach 6 ms bereitgestellt. Folglich erfährt der 5-Millisekunden-Vorderflankenabschnitt des Sprenglauts durch diese schnelle Verstärkungsregelschaltung relativ geringe Dämpfung. Jedoch dauert die Dämpfung an und erhöht sich mit dieser Zeitkonstante, so daß die Dämpfung von Signalabschnitten, die dem Sprenglaut-Vorderflankenabschnitt nachfolgen, eine erheblich größere Dämpfung erfährt. Daher werden die Luftstoß-Störungen so geformt, daß sie ihre grundsätzliche Charakteristik beibehalten, wodurch die Verständlichkeit dieses Ton- bwz. Sprachabschnitts beibehalten bleibt. Der Mikrofonausgang für Reibungslaut-Töne baut sich ungefähr mit einer Zeitkonstante von 30 ms auf, was eine schnellere Rate als die Vokale ist, jedoch stellt die schnelle Verstärkungsregelschaltung eine Dämpfung dieser Frikationslaut-Töne bereit, die im Frequenzbereich von 2 bis 6 kHz liegen, und somit nicht durch die Rauschunterdrückungseingenschaften des Mikrofons gedämpft sind.
Um der schnellen Verstärkungsregelschaltung die Unterscheidung und die selektive Einwirkung auf die Luftstoß-Störungen zu ermöglichen (und die anderen Phoneme wie etwa Vokale effektiv zu ignorieren), ist sie mit einer erheblich höheren Schwelle als diejenige der langsamen Verstärkungsregelschaltung versehen. Demgemäß wirkt die schnelle Verstärkungsregelschaltung lediglich auf die Ausgangssignalabschnitte höherer Amplitude (die Sprenglaut- und Reibelaut-Phoneme repräsentieren) ein, während die langsame Verstärkungsregelschaltung, die zur Bereitstellung einer generellen Unterdrückung des breiten Bands der Hintergrundstörungen eingestellt ist, über einen viel breiteren Bereich der Signalamplituden einschließlich der niedrigeren Signalamplituden der Hintergrundstörungen und Vokale wirksam ist.
Das Resultat der Wirkung der schnellen Verstärkungsregelschaltung reduziert oder eliminiert das Luftstoß-Störungs- Phänomen und formt die für die Luftstoß-Störungen verantwortlichen Phoneme. Die Formung der Luftstoß-Störungen hoher Amplitude stellt kritische Sprachinformation im Bereich von 2,5 kHz bis 6 kHz bereit, in dem das Mikrofon geringe oder keine Audio-Löschung der Hintergrundstörungen bewirkt. Durch Reduzierung der mit den Luftstoß-Störungen verknüpften Signalpegeln mit geeigneter Rate kann das menschliche Ohr zwischen den verschiedenen Sprachlauten, die die Luftstoß-Störungen hervorrufen, unterscheiden. Dieser Prozeß erhöht wiederum die Verständlichkeit der zum Kommunikationskanal übertragenen Sprache.
Die Dämpfungsstufen bei dem beschriebenen Verfahren sind imstande, vom Mikrofon herrührende Spitzenamplituden ohne irgendeine Beschneidungswirkung auf einen Pegel zu reduzieren, der innerhalb des linearen Bereichs der nachfolgenden Schaltung liegt. Die Wirkung der dualen automatischen Verstärkungsregelschaltung reduziert die Notwendigkeit von Schaltungen mit hoher Verstärkungs-Bandbreite in der Dämpfungseinrichtung. Die langsame Verstärkungsregelschaltungsschleife stellt den Hauptteil der geforderten Dämpfung der Hintergrundstörungen bereit, wodurch die bei höheren Frequenzen erforderliche Größe der Dämpfung durch die schnelle Verstärkungsregelschaltungsschleife reduziert wird. Dies reduziert die Kosten und die Komplexität der Schaltung.
Die langsame automatische Verstärkungsregelschaltung ist auf eine Schwelle von ungefähr 18 bis 20 dB unterhalb der Maximalgrenze der nachfolgenden Kommunikationskanalschaltung eingestellt. Diese langsame Verstärkungsregelschaltung ist mit einer verhältnismäßig langsamen Einschwingzeit (attack time) und einer langsamen Freigabe- bzw. Abfallzeit (release time) versehen, die bei einem speziellem Beispiel eine 700- Millisekunden-Einschwingzeitkonstante und ungefähr eine 5- Sekunden-Abfallzeitkonstante sind. Die Rate der durch die verschiedenen Ausführungen der langsamen Verstärkungsregelschaltungen hervorgerufenen Dämpfungsänderung liegt im Bereich von ungefähr 1 dB für alle 100 bis 520 ms.
Die schnelle Verstärkungsregelschaltung ist andererseits auf eine Schwelle eingestellt, die beträchtlich höher als diejenige der langsamen Verstärkungsregelschaltung ist, um dieser Schaltung das Wirksamwerden lediglich bei den bei sehr viel höheren Pegeln liegenden Komponenten der Luftstoß-Störungen zu ermöglichen. Diese Schwelle der schnellen Verstärkungsregelschaltung ist auf ungefähr 6 bis 10 dB unterhalb der maximalen Grenze der nachfolgenden Kommunikationskanalschaltung eingestellt. Wie zuvor erwähnt, ist die schnelle Verstärkungsregelschaltung so eingestellt, dar sie eine Dämpfung von ungefähr 1 dB für alle 3 bis 10 ms bereitstellt, und ist mit einer kürzeren Einschwingzeitkonstante von ungefähr 30 bis 100 ms versehen. Eine Einschwingzeitkonstante von 50 bis 80 ms ist gegenwärtig für ein M-162-Gradienten- Elektretmikrofon erster Ordnung bevorzugt. Vorzugsweise ist die Freigabezeit der schnellen Verstärkungsregelschaltung sehr kurz. Bei dem nachfolgend beschriebenen analogen Ausführungsbeispiel ist die Freigabezeit bzw. Abfallzeit der schnellen Verstärkungsregelschaltung praktisch augenblicklich bzw. sofort.
Das Bandpaßfilter 20 wird eingesetzt, wenn das System in Verbindung mit einem digitalen Kommunikationssystem zu verwenden ist, um Sprachsignale im Sprachspektrum im 150 Hz bis 6 kHz-Frequenzbereich beizubehalten, während nachteilige Auswirkungen von Störungen außerhalb des Sprachspektrums minimiert werden.
Es versteht sich ohne weiteres, daß viele Arten von Schaltungen, sei es analog, digital oder eine Kombination aus analog und digital, eingesetzt werden können, um das funktionell in Fig. 3 dargestellte System zu realisieren. Sowohl digitale als auch analoge automatische Verstärkungsregelschaltungen sind bekannt, und es ist lediglich notwendig, solche Schaltungen mit Schwellwertpegeln, Zeitkonstanten und Dämpfungsraten zu versehen, wie sie hier beschrieben sind, so daß die langsame Verstärkungsregelschaltungsschleife den Hauptteil der geforderten Dämpfung bereitstellt, wodurch die Größe der bei höheren Frequenzen von der schnellen Verstärkungsregelschaltungsschleife geforderten Dämpfung reduziert ist, wobei die Schaltungen weiterhin so ausgelegt sind, daß die schnelle automatische Verstärkungsregelschaltungsschleife die Sprachsignalkomponenten, die die hochpegligen Luftstoß-Störungen im Mikrofon-Ausgang erzeugt haben, selektiv dämpft und formt. Tatsächlich wurden mehrere digitale Versionen dieses Systems gebaut und erfolgreich betrieben, jedoch ist das in den Figuren 4a und 4b gezeigte, beschriebene analoge System gegenwärtig bevorzugt, da es kostengünstiger ist und auf kleinerem Raum untergebracht werden kann.
Die Figuren 4a und 4b zeigen zusammen eine einzige Schaltung, wobei Fig. 4a unmittelbar oberhalb Fig. 4b anzuordnen ist. Wie in diesen Figuren dargestellt, wird ein Eingangssignal vom Ausgang des Mikrofons auf einer Eingangsleitung 30 an eine Seite eines Eingangswiderstands 32 angelegt, dessen andere Seite mit der Drain-Elektrode 34 eines signaldämpfenden Feldeffektransistors 36 verbunden ist. Die Source-Elektrode 38 des letzteren ist mit einem positiven Potential verbunden und dessen Gate-Elektrode 40 über Widerstände 42 und 44 und einen geerdeten Kondensator 46 mit Rückkopplungsleitungen 48, 49 verbunden, auf denen das Ausgangssignal eines langsamen automatischen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 50 und eines schnellen automatischen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 52 empfangen wird. Das Ausgangssignal des dämpfenden Feldeffekttransistors 36 wird zur Dämpfung und Formung des Signals an der Ausgangsseite des Widerstands 32 eingesetzt. Die Kombination aus dem Eingangswiderstand 32 und dem Transistor 36 bildet effektiv die Dämpfungseinrichtung des beschriebenen Systems. Das gedämpfte und geformte Signal wird dem Eingang eines Operationsverstärkers 56 einer ersten Stufe und anschließend einem Operätionsverstärker 58 einer zweiten Stufe zugeführt, wodurch eine geeignete Verstärkung des gedämpften und geformten Eingangssignals bereitgestellt wird. Das Signal wird von den kaskadierten Verstärkerstufen 56, 58 über eine Leitung 60 dem Eingang eines Operationsvestärkers 62 einer dritten Stufe zugeführt. Systemausgangsseitig wird das der nachfolgenden Kommunikationskanalschaltung zugeführte Signal auf jeder von Leitungen 59 oder 61 durch den nicht-invertierenden Ausgang des Verstärkers 62 oder durch den Ausgang des Operationsverstärkers 58 der zweiten Stufe und den invertierenden Ausgang eines Operationsverstärkers 63 bereitgestellt.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 62 wird durch Dioden 64 und 66 enthaltende Schaltungen vollweggleichgerichtet. Das Signal vom Ausgang des Verstärkers 62 wird einem Verstärker 68 zugeführt und dann weiter durch die erste gleichrichtende Diode 64 geführt. Der Ausgang des Verstärkers 68 wird weiterhin einem Operationsverstärker 70 und weiterhin durch die zweite gleichrichtende Diode 66 zur Erzeugung eines vollweggleichgerichteten Signals auf einer Leitung 74 geführt. Dieses gleichgerichtete Signal wird parallel zu Schwellwerteinstellungs-Operationsverstärkern 76 und 78 der langsamen und schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärker 50 bzw. 52 geführt. Das Eingangssignal des Schwellwerteinstellungs-Verstärkers 76 wird an seinen nicht-invertierenden Eingang angelegt, während sein invertierender Eingang einen Schwellwertpegel empfängt, der durch einen Widerstandspannungsteiler gebildet ist, der durch in Reihe zwischen einen geerdeten Kondensator 84 und eine 10-Volt-Quelle positiven Potentials geschaltete Widerstände 80 und 82 gebildet ist. Der Ausgang des Schwellwerteinstellungs-Verstärker 76 wird an den invertierenden Eingang des langsamen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 50 angelegt, der mit einem einen relativ großen integrierenden Kondensator 90 enthaltenden Rückkopplungszweig versehen ist.
Der schnelle Verstärkungsregelschaltungs-Schwellwerteinstellungs-Verstärker 78 erhält das gleichgerichtete Signal auf der Leitung 74 an seinem nicht-invertierenden Eingang und wird an seinem invertierenden Eingang mit einem Schwellwerteinstellungspotential, das am Ausgang eines miteinander verbundene Widerstände 92 und 94 enthaltenden Spannungsteilers erzeugt wird, gespeist. Der andere Anschluß des Widerstands 94 ist mit Massepotential und das andere Ende des Widerstands 92 ist über die Spannungsteiler-Widerstände 80, 82 mit positivem Potential verbunden.
Die Ausgänge der beiden Verstärkungsregelschaltungs-Verstärker 50 und 52 sind zusammengefaßt und mittels einer ersten isolierenden Diode 100, die zwischen einen Verbindungspunkt 102 auf der Rückkopplungsleitung 49 und den Ausgang des langsamen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 50 geschaltet ist, und einer zweiten isolierenden Diode 104, die zwischen den Verbindungspunkt 102 und den Ausgang des schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 52 geschaltet ist, gegenseitig isoliert.
Obwohl die Ausgänge des langsamen und des schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 50 und 52 bei ihrer gemeinsamen Verbindung mit dem Verbindungspunkt 102 an der Rückkopplungsleitung 49 zusammengefaßt sind, sind die beiden Verstärkungsregelschaltungen voneinander durch die jeweiligen Dioden 100, 104 isoliert, die im Effekt eine analoge Oder-Schaltung bilden. Die Dioden bewirken die Ermöglichung des Durchgangs des einen oder des anderen der Ausgangssignale der Verstärker 50 und 52, wobei sie lediglich dasjenige der Ausgangssignale durchlassen, das die höhere Amplitude besitzt. Folglich leitet die Diode 100, wenn das Ausgangssignal des langsamen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 50 höher ist als der Ausgang des schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 52, und die Diode 104 ist gesperrt, um das Ausgangssignal des schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers zu sperren. Falls umgekehrt das Ausgangssignal des schnellen Verstärkungsregelschaltungs- Verstärkers höher als das Ausgangssignal des langsamen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers ist, leitet die Diode 104 und sperrt die Diode 100, wodurch das Ausgangssignal des langsamen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers gesperrt wird. Weiterhin wird durch diese Oder-Wirkung der isolierenden Dioden effektiv eine gegenseitige Isolierung jeder Verstärkungsregelschaltung bewirkt. Die langsame Verstärkungsregelschaltung ist mit einem relativ groben Rückkopplungskondensator 90 versehen, der in der Größenordnung von 0,47 Mikrofarad in einer beispielhaften Schaltung liegen kann, während die schnelle Verstärkungsregelschaltung einen Rückkopplungskondensator 91 besitzt, der erheblich kleiner ist und bei einem solchen beispielhaften Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von 0,1 Mikrofarad liegen kann. Folglich verhindert die isolierende Diode 100, daß das Ausgangssignal des schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 52 den großen Kondensator 90 auflädt und ermöglicht folglich der schnellen Verstärkungsregelschaltung, ihre sehr schnelle Freigabe- bzw. Abfallzeit beizubehalten, unberührt durch die größere Entladungszeit des größeren Kondensators 90. Beide Kondensatoren 90 und 91 entladen sich über einen mit dem Verbindungspunkt 102 verbundenen geerdeten Widerstand 106.
Es ist wichtig, sich wieder bewußt zu machen, daß die beiden Verstärkungsregelschaltungen bei diesem Betrieb unterschiedliche Amplituden-Schwellwertspannungen haben. Wie zuvor erwähnt, besitzt die schnelle Verstärkungsregelschaltung einen Schwellwert einer sehr viel höheren Amplitude (bereitgestellt durch den Teiler 92, 94 und den Verstärker 78), so daß diese Schaltung lediglich bei Tönen bzw. Geräuschen hohen Pegels und insbesondere bei denjenigen, die durch die Luftstoß-Störungen gemäß Fig. 2b-3 dargestellt sind, wirksam ist. Für eine insgesamte Störungsunterdrückung ist es wünschenswert, die automatische Verstärkungsregelschaltungs- Wirkung bei einem niedrigeren Pegel zu beginnen. Folglich ist, wie zuvor ausgeführt, der Amplitudenschwellenwert des langsamen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 50 auf einen beträchtlich niedrigeren Pegel eingestellt. Der Hauptteil der Verstärkungssteuerung wird somit durch die langsame Verstärkungsregelschaltung bereitgestellt. Lediglich dann und nur dann, wenn der Signalpegel den höheren Schwellenwert der schnellen Verstärkungsregelschaltung erreicht, beginnt diese zu arbeiten. Folglich wird beispielsweise bei verhältnismäßig niedrigen Pegeln unterhalb des Schwellenwerts des schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Schwellenwert-Verstärkers 78, aber oberhalb des Schwellenwerts des langsamen Verstärkungsregelschaltungs-Schwellenwert-Verstärkers 76, ein Ausgangssignal durch den langsamen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärker 50 bereitgestellt, der seinen relativ großen Rückkopplungskondensator 90 zu laden beginnt und ein Dämpfungssignal (das negative Rückkopplungssignal auf den Rückkopplungsleitungen 48, 49) an das Gate des dämpfenden Feldeffekttransistors 36 abgibt. Dieses Signal auf der Leitung 49 ist höher als der Ausgang des schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 52 (der bei diesem relativ niedrigen Eingangssignalpegel kein Ausgangssignal erzeugt), so daß der letztere gesperrt ist und das System lediglich mit der langsamen Verstärkungsregelschaltung mit deren durch den Rückkopplungskondensator 90 bereitgestellten langsamen Freigabe bzw. langsamen Abfallen arbeitet.
Wenn jedoch die Signalamplitude den höheren Schwellwert des schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Schwellenwert-Verstärkers 78 übersteigt, steigt das Ausgangssignal des Verstärkers 52 an und kann größer als das Ausgangssignal des langsamen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 50 werden, wodurch das Ausgangssignal des langsamen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers gesperrt und dem schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärker die Übernahme bei diesen höheren Signalpegeln ermöglicht wird. Bei solchen höheren Pegeln arbeitet die schnelle Verstärkungsregelschaltung für sich selbst und die langsame Verstärkungsregelschaltung ist effektiv blockiert. Dies dauert an, bis das Ausgangssignal des schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 52 unter den Pegel des Ausgangssignals des langsamen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 50 absinkt. Wenn dies auftritt, hört die Wirkung der schnellen Verstärkungsregelschaltung aufgrund der Oder-Wirkung der Dioden 100, 104 im wesentlichen sofort auf. Bei Fehlen der durch die Diode 100 bereitgestellten isolierenden Funktion würde die schnelle Verstärkungsregelschaltung bei Vorhandensein von Signalen hohen Pegels aufgrund ihres raschen Einschwingens bzw. Ansprechens eine relativ schnelle Dämpfung des Eingangs des Verstärkers 56 der ersten Stufe hervorrufen, und diese schnelle Verstärkungsregelschaltung würde dann (bei fehlender Diode 100) auch das System und die Rückkopplungsschleife sättigen. Folglich würde die durch die ursprüngliche Wirkung des Verstärkers 52 bereitgestellte hohe Dämpfung weiterhin wirksam sein (der Kondensator 90 würde bei einer verhältnismäßig hohen Ladung aufgrund seiner langsameren Entladung über den geerdeten Widerstand 106 bleiben), und die Schaltung würde bis zu einem Punkt übersteuert werden, bei dem die gesamte nachfolgende Sprache einschließlich Vokalen ebenfalls unterdrückt würde. In anderen Worten würden die Luftstoß-Störungen hohen Pegels einschließlich der hochpegligen Frikations-Töne bzw. Reibelaute das System, ohne Vorhandensein der Diode 100 zur Isolierung des langsamen Verstärkungsregelkondensators, sättigen und es könnte mehrere Sekunden dauern, bis das System wieder auf eine Größe zurückgeht, bei der Signale normalen Pegels durchgelassen würden. Aufgrund des Vorhandenseins der isolierenden Diode 100 zwischen den Ausgängen des langsamen und schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers 50 und 52 können die Luftstoß-Störungen hohen Pegels, die die schnelle Verstärkungsregelschaltung zur sehr raschen Absenkung der Verstärkung veranlassen, wobei der relativ kleine und rascher entladbare Rückkopplungskondensator 91 des schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers gesättigt wird, nicht auch den Rückkopplungskondensator 90 der langsamen Verstärkungsregelschaltung laden, so daß die schnelle Verstärkungsregelschaltung die langsame Verstärkungsregelschaltung nicht beeinflußt.
Eine zusätzliche Steuerung der Freigabezeit der Verstärkungsregelschaltungen wird auch durch den Widerstand 44 und den Kondensator 46 in den Rückkopplungsleitungen 48, 49 bereitgestellt. Wenn das Rückkopplungssignal am Verbindungspunkt 102 sich vergrößert, wird der Kondensator 46 über den Widerstand 44, der durch eine Quelle positiven Potentials mittels eines Widerstands 108 vorgespannt ist, geladen. Die Freigabe- oder Abfallzeit des Kondensators 46 kann bei ungefähr 400 bis 500 ms liegen, was beträchtlich niedriger als die Freigabezeit der langsamen Verstärkungsregelschaltung ist. Wenn die Ladung des Kondensators 91 der schnellen Verstärkungsregelschaltung einen Spitzenwert erreicht und das Eingangssignal der schnellen Verstärkungsregelschaltung unter deren Schwellenwert absinkt, hört der Betrieb des schnellen Verstärkungsregelschaltungs-Verstärkers sofort auf, jedoch kann der Abfall des Rückkopplungssignals am Gate der Dämpfungseinrichtung 36 dennoch durch die relativ schnelle Entladung des Kondensators 46 gesteuert werden.
Die beschriebene analoge Ausgestaltung des schnellen und langsamen Verstärkungsregelschaltungssystems, das mit Schwellenwerten und Zeitkonstanten wie zuvor beschrieben eingestellt ist, wird gegenwärtig bei einer spezifischen Anwendung bevorzugt, bei der ein analoges System gewünscht ist, das auf einem sehr kleinen Raum verpackt bzw. untergebracht werden kann. Es versteht sich jedoch ohne weiteres, daß die beschriebene Schaltung durch andere analoge Systeme und durch digitale Systeme, die Funktionen oder Äquivalente der hier beschriebenen schnellen und langsamen Verstärkungsregelschaltungen ausführen können, gebildet werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zur Verbesserung der Stimmverständlichkeit eines rauschunterdrückenden Elektret-Mikrofons (10), das ein Ausgangssignal mit erhöhtem dynamischen Bereich besitzt und Luftstoß-Störungen (puff noise) hoher Amplitude aufgrund von Sprenglaut-, Reibelaut- und Affrikata-Sprachkomtponenten enthält, gekennzeichnet durch:

eine Dämpfungsschaltung (16) mit einem Mikrofon-Eingang, einem Steuereingang und einem Ausgang, und

eine zwischen den Ausgang der Dämpfungsschaltung (16) und ihren Steuereingang geschaltete Rückkopplungseinrichtung, die eine erste und eine zweite parallel geschaltete automatische Verstärkungsregelschaltung (22, 24) aufweist, wobei die erste Verstärkungsregelschaltung (24) eine relativ rasche Ansprechzeit zum selektiven Formen der Luftstoß-Störungen, derart, daß die Vorderflanke der Sprenglaut- Sprachkomponenten mit geringerer Dämpfung als die den Reibelaut- und Affrikata-Sprachkomponenten auf geprägte Dämpfung durchgelassen wird, und wobei die zweite Verstärkungsregelschaltung (22) eine verhältnismäßig langsame Ansprechzeit zur Unterdrückung von Hintergrundrauschen besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verstärkungsregelschaltung (22) eine Einrichtung zum Verringern des dynamischen Bereichs des Dämpfungsschaltungsausgangs umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verstärkungsregelschaltung eine Anstiegszeit von ungefähr fünf Millisekunden besitzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verstärkungsregelschaltung (24) eine verhältnismäßig hohe Schwelle besitzt und daß die zweite Verstärkungsregelschaltung (22) eine relativ niedrige Schwelle hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verstärkungsregelschaltung (22) eine verhältnismäßig langsame Einschwingzeit und eine langsame Freigabebzw. Abfallzeit (release time) besitzt, und daß die erste Verstärkungsregelschaltung (24) eine rasche Einschwingzeit und eine rasche Freigabezeit hat.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Isolieren der zweiten Verstärkungsregelschaltung (22) gegenüber der ersten Verstärkungsregelschaltung (24).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verstärkungsregelschaltung (24) eine rasche Einschwingzeit und eine im wesentlichen sofortige Freigabezeit besitzt, und daß die zweite Verstärkungsregelschaltung (22) eine langsamere Einschwingzeit und eine langsame Freigabezeit hat, und daß eine Einrichtung vorhanden ist, die verhindert, daß die erste Verstärkungsregelschaltung (24) den Betrieb der zweiten Verstärkungsregelschaltung (22) beeinflußt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Verstärkungsregelschaltung (22, 24) jeweils einen Verstärker (50, 52) mit einer Rückkoppelkapazität (90, 91) umfaßt, und dar eine Einrichtung (100, 104) zum Isolieren der Rückkoppelkapazität zumindest eines der Verstärker gegenüber dem Ausgang des anderen Verstärkers vorhanden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliereinrichtung erste und zweite, in nur einer Richtung leitende Bauelemente (100, 104), die jeweils mit den Ausgängen der entsprechenden Verstärker (50, 52) verbunden sind, und eine Einrichtung zum Verbinden der nur in einer Richtung leitenden Bauelemente mit der Dämpfungsschaltung (16) umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verstärkungsregelschaltung (22) einen langsamen Verstärkungsregel-Verstärker (50) mit einer verhältnismäßig niedrigen Pegelschwelle und einer verhältnismäßig großen Rückkoppelkapazität (90) umfaßt, daß die erste Verstärkungsregelschaltung (24) einen raschen Verstärkungsregel-Verstärker (52) mit einem Schwellenpegel, der größer als die zweitgenannte Schwelle ist, und eine Rückkoppelkapazität (91), die kleiner als die erstgenannte Rückkoppelkapazität (90) ist, aufweist, daß eine erste Diode (100), die mit einem Anschluß mit dem langsamen Verstärker verbunden ist, und eine zweite Diode (104) vorhanden sind, deren einer Anschluß mit dem schnellen Verstärker (52) verbunden ist und deren anderer Anschluß mit dem anderen Anschluß der ersten Diode (100) und der Dämpfungseinrichtung (16) verschaltet ist.

11. Verfahren zum Verbessern der Stimmverständlichkeit eines rauschunterdrückenden Elektret-Mikrofons (10), das ein Ausgangssignal erhöhten dynamischen Bereichs hat und Luftstoß-Störungen (puff noise) hoher Amplitude aufgrund von Sprenglaut-, Reibelaut- und Affrikata-Sprachkomponenten enthält, gekennzeichnet durch die Schritte:

Vorsehen erster und zweiter Verstärkungsregelschaltungen (22, 24), die parallel geschaltet sind und von denen die erste Verstärkungsregelschaltung (24) eine relativ rasche Ansprechzeit zum selektiven Formen der Luftstoß-Störungen derart, daß die Vorderkante von Sprenglaut-Sprachkomponenten mit geringerer Dämpfung als die den Reibelaut- und Affrikata-Sprachkomponenten auf geprägte Dämpfung passieren, besitzt, wobei die zweite Verstärkungsregelschaltung (22) eine verhältnismäßig langsame Ansprechzeit zur Unterdrückung von Hintergrundrauschen besitzt, und

Verwenden der Verstärkungsregelschaltungen (22, 24) in einer Dämpfungsschaltung (16), die eine zwischen ihren Ausgang und einen Steuereingang geschaltete Rückkoppeleinrichtung aufweist und mit deren Eingang ein rauschunterdrückendes Elektret-Mikrofon (10) verbunden ist, um die Stimmverständlichkeit durch Komprimieren des dynamischen Bereichs des Mikrofons (10) und durch Formung der von Sprenglauten, Reibelauten und Affrikata herrührenden Komponenten zu verbessern.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt des Veranlassens des Betriebs der zweiten Verstärkungsregelschaltung (22) in Abhängigkeit von Signalpegeln eines ersten Schwellwerts, und des Veranlassens des Betriebs der ersten Verstärkungsregelschaltung (24) in Abhängigkeit von Signalpegeln eines zweiten Schwellwerts, der höher als der erste Schwellwert ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt des Isolierens einer der Verstärkungsregelschaltungen (22, 24) gegenüber der anderen.

14. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Schritte der Steuerung der ersten Verstärkungsregelschaltung (24) zur Erhöhung ihrer Dämpfung des Mikrofon-Ausgangs mit einer Rate, die größer als die Anstiegsrate der durch die zweite Verstärkungsregelschaltung (22) bewirkten Dämpfung des Mikrofon-Ausgangs ist, und zur Verringerung der Dämpfung des Mikrofon-Ausgangs mit einer Rate, die größer als die Rate der Abnahme der durch die zweite Verstärkungsregelschaltung (22) bewirkten Dämpfung ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den Schritt des Außerbetriebsetzens der zweiten Verstärkungsregelschaltung (22) bei Signalpegeln unterhalb eines ersten Schwellwerts und des Außerbetriebsetzens der ersten Verstärkungsregelschaltung (24) bei Signalpegeln unterhalb eines zweiten Schwellwertpegels, der höher als der erste Schwellwertpegel ist.

16. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt der Steuerung der zweiten Verstärkungsregelschaltung (22) zur Dämpfung des Mikrofon-Ausgangs mit einer Rate von ungefähr 1 dB für ungefähr alle 100 bis 500 Millisekunden und der Steuerung der ersten Verstärkungsregelschaltung (24) zur Dämpfung des Mikrofon-Ausgangssignals mit einer Rate vo ungefähr 1 dB für alle 3 bis 10 Millisekunden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch den Schritt des Außerbetriebsetzens der zweiten Verstärkungsregelschaltung (22) für Signalpegel unterhalb eines Pegels von ungefähr 18 bis 20 dB unterhalb einer ausgewählten maximalen Ausgangsgrenze und des Außerbetriebsetzens der ersten Verstärkungsregelschaltung (24) für Signale unterhalb eines Pegels von ungefähr 6 bis 10 dB unterhalb der maximalen Ausgangsgrenze.

18. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch den Schritt, daß die zweite Verstärkungsregelschaltung (22) mit einer Einschwingzeit von 700 Millisekunden und-einer Freigabezeit in der Größenordnung von 5 Sekunden versehen wird, und daß die erste Verstärkungsregelschaltung (24) mit einer Einschwingzeit im Bereich von ungefähr 30 bis 100 Millisekunden und einer effektiv sofortigen Freigabezeit versehen wird.